DE102011002967A1

DE102011002967A1 - Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102011002967A1
Application number: DE102011002967A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Allgeier; Udo Schulz; Klaus Ries-Mueller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2012-07-26

Abstract

Es werden ein Hybridantrieb (200) für ein Kraftfahrzeug, ein Energiespeicher für einen solchen Antrieb und ein Verfahren zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs vorgestellt. Bei dem Hybridantrieb (200) wirken ein hydraulisch betriebener Energiewandler (210) und ein mit brennbarem Gas betriebener Energiewandler zusammen, wobei dem hydraulisch betriebenen Energiewandler (210) ein erstes Energiespeichersystem zugeordnet ist und dem mit dem brennbaren Gas betriebenen Energiewandler ein zweites Energiespeichersystem zugeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug, einen Energiespeicher und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Hybridantriebs.
Stand der Technik
Unter einem Hybridantrieb wird im allgemeinen ein Antrieb verstanden, bei dem unterschiedliche Antriebstechniken zum Einsatz kommen. Ein Hybridfahrzeug wiederum ist ein Fahrzeug, in dem mindestens zwei Energiewandler bzw. Motoren und zwei im Fahrzeug eingebaute Energiespeichersysteme vorgesehen sind, um das Fahrzeug anzutreiben. Die einzelnen Energiewandler können unterschiedlich zusammenwirken, nämlich bspw. parallel, dann wirken die Energiewandler gleichzeitig auf den zu bewegenden Teil, oder seriell, dann wirkt nur ein Energiewandler auf den zu bewegenden Teil, während der andere nur Leistung bereitstellt, die umgewandelt dem direkt wirkenden Energiewandler zugeführt wird. In Straßenfahrzeugen, wie bspw. Personenkraftwagen (Pkw), Lastkraftwagen (Lkw) und Bussen, wird der Hybridantrieb auch als Hybridmotor bezeichnet. Dies sind jedoch nur Verbrennungsmotoren, die Merkmale von Diesel- oder Ottomotoren aufweisen.
Die Forderung, den Kraftstoffverbrauch und damit den CO₂-Ausstoß von Kraftfahrzeugen zu reduzieren, erhöht gegenwärtig die Marktattraktivität von Hybridfahrzeugen, insbesondere in der Kombination elektrischer Motor bzw. Generator, elektrischer Energiespeicher und Verbrennungsmotor.
Alternativ dazu wird der Einsatz von Hybridfahrzeugen, bspw. bei Personenkraftwagen in der Kombination hydraulischer Motor/Pumpe, hydraulischer Energiespeicher und Verbrennungsmotor untersucht. Dies sind sogenannte Hydraulische Hybridfahrzeuge bzw. Hydraulik Hybrid Vehicle (HHV). Gründe hierfür sind die kompakte Bauweise, die größere Leistungsdichte des Speichers, die Systemrobustheit, die Gesamtsystemkosten und die denkbaren Synergien mit Hochdruckeinspritzsystemen. Derartige Ansätze sind bisher bei Nutzfahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen zu sehen.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden ein Hybridantrieb nach Anspruch 1, ein Energiespeicher mit den Merkmalen des Anspruchs 5 und ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs gemäß Anspruch 9 vorgestellt. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
Bei dem vorgestellten Hybridantrieb wird ein hydraulischer Energiewandler bzw. Antrieb und ein mit brennbarem Gas betriebener Energiewandler eingesetzt.
Bei hydraulischen Energiewandlern werden Flüssigkeiten zur Übertragung von Kraft und Energie verwendet. Dabei wird hydraulische Energie in mechanische Arbeit gewandelt oder umgekehrt. Entsprechend können hydraulische Energiewandler als Motoren oder Pumpen betrieben werden.
Als brennbares Gas kommt insbesondere komprimiertes Erdgas bzw. Compressed Natural Gas (CNG) in Betracht. Der Einsatz von CNG ist aufgrund der geringen Kosten bzw. Besteuerung von Erdgas in Verbindung mit Benzin-Einspritzsystemen vorteilhaft. Außerdem liegen die Emissionen eines CNG-Fahrzeugs durch den niedrigeren Kohlenstoff- und höheren Wasserstoffanteil im Kraftstoff um ca. 25% niedriger als im Vergleich zu Benzinfahrzeugen. Im Kaltstart und bei nicht erreichbaren Gastankstellen wird bislang vorzugsweise mit Benzin gefahren (bivalenter Betrieb).
CNG-Antriebe können bei Personenkraftwagen (Pkw) und auch bei Lastkraftwagen (Lkw) zum Einsatz kommen. Während beim Pkw bislang vorzugsweise angepasste Benzinmotoren Verwendung finden, werden bei Lkws üblicherweise Dieselmotoren verwendet. Die Zündung des Gas-Gemisches erfolgt dabei mittels einer Diesel-Piloteinspritzung (Zündstrahlverfahren) oder alternativ über eine Zündkerze wie beim Ottomotor. Als CNG-Tanks kommen Hochdruckspeicher in Form von Stahl- oder Composite-Zylindern zum Einsatz, die das Gas bei einem Druck von bspw. 200 bar speichern.
Im Gegensatz zu bekannten CNG-Antrieben wird ein Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug vorgestellt, bei dem die Kombination CNG-Antrieb und Hydraulikhybrid verwirklicht ist. Bei diesem kann der CNG-Speicher als Gasblasenspeicher für den Hochdruckspeicher und Niederdruckspeicher aus dem Hydraulik-Hybrid-Konzept genutzt. Der Gasblasenspeicher, z. B. mit Stickstoff, kann dadurch entfallen.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass in den Bremsphasen die Bremsenergie in den CNG-Speichern gespeichert wird und als höher verdichtetes CNG dem Einspritzsystem (Druckregler und Einblasventile) und/oder dem hydraulischen Motor zur Verfügung steht. Das Erdgas kann dabei über Saugrohreinblasung oder als Direkteinblasung in den Motor eingebracht werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 verdeutlicht die Funktionsweise eines hydrostatisch regenerativen Bremssystems.
2 zeigt in einem Graphen den Lade/Entladevorgang für einen hydropneumatischen Blasenspeicher.
3 zeigt eine Ausführungsform eines hydrostatisch regenerativen Bremssystems.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines hydrostatisch regenerativen Bremssystems.
5 zeigt eine Ausführung eines Gasverbrennungsmotors.
6 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebs.
Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
In 1 ist in einer schematischen Darstellung ein hydrostatisch regeneratives Bremssystem (HRB) wiedergegeben, wie dieses in Verbindung mit dem vorgestellten Hydraulikantrieb zum Einsatz kommt.
Die Darstellung verdeutlicht die Wirkungsweise beim Bremsen 10 oben in der Darstellung und beim Beschleunigen 12 unten. In der Figur sind jeweils zum Verdeutlichen des Bremsens 10 und des Beschleunigens 12 ein Motor 16, ein Getriebe 18, eine ECU-Kupplung 20, eine Pumpe bzw. ein Motor 22, ein Hochdruckspeicher 24 und ein Niederdruckspeicher 26 dargestellt.
Die Darstellung zeigt, wie beim Bremsen 10 Hydraulikflüssigkeit über die Pumpe bzw. den Motor 22 in den Hochdruckspeicher 24 gelangt. Beim Beschleunigen 12 fließt diese Hydraulikflüssigkeit aus dem Hochdruckspeicher 24 zurück. Die Rückgewinnung der Bremsenergie mit dem HRB ist besonders bei Fahrzeugen interessant, die in intensiven Zyklen arbeiten. Im Hochdruckspeicher 24 und im Niederdruckspeicher 26 ist jeweils eine Gasblase. Diese wird komprimiert bzw. dekomprimiert mittels der Hydraulikflüssigkeit.
In 2 sind in einem p-V-Diagramm Zustandsänderungen beim Lade/Entladevorgang für einen hydropneumatischen Blasenspeicher gezeigt. In der Darstellung ist an der Abszisse 50 das Gasvolumen V und an der Ordinate 52 der Gasdruck p aufgetragen. Durch eine in sich geschlossene Kurve 54 werden die Zustandsänderungen anhand der Zustände 1, 2, 3 und 4 verdeutlicht.
1 -> 2 Der Speicher lädt auf und erhöht den Druck des Gases durch Volumenreduzierung. Dabei steigt die Temperatur des Gases.
2 -> 3 Ruhephase, das Gas gibt Wärme an die Umgebung ab, der Druck sinkt bei gleichbleibendem Volumen.
3 -> 4 Entladen des Speichers: Der Speicherdruck sinkt, während sich das Volumen erhöht. Gleichzeitig sinkt auch die Temperatur.
4 -> 1 Ruhephase: Der Gasdruck steigt durch die Aufnahme von Umgebungswärme.
Da die thermischen Verluste in der Ruhephase größer sind als die Gewinne beim Ladevorgang, ist eine mit Bezugsziffer 56 bezeichnete Fläche identisch mit den thermischen Verlusten.
Bei HRB wird grundsätzlich unterschieden zwischen sogenannten Add-on-Systemen für Anwendungen ohne hydrostatischen Fahrantrieb und integrierten Systemen für Anwendungen mit einem bestehenden hydrostatischen Fahrantrieb.
In 3 ist eine Ausführung eines Add-on-Systems, insgesamt mit der Bezugsziffer 70 bezeichnet, dargestellt. Die Figur zeigt einen Hochdruckspeicher, in diesem Fall einen Gasblasenspeicher, 72, ein Schaltventil 74, einen Drucksensor 76, eine Kupplung 78, ein Getriebe 80, einen Energiewandler, in diesem Fall eine Axialkolbenpumpe und einen Motor, 82, ein Druckbegrenzungsventil 84 und ein Wegeventil 86.
In Add-on-Systemen werden bevorzugt Axialkolbenpumpen eingesetzt. Dabei kann die Kopplung zwischen dem Antriebsstrang und dem Bremssystem variieren. Die Steuerung des Bremsmoments erfolgt über die Verstellung des Schluckvolumens der Axialkolbenpumpe 82.
Beim Bremsen lädt die durchschwenkbare, mit dem Antrieb gekoppelte Axialkolbenpumpe 82 den Hochdruckspeicher 72 auf. Der Hochdruckspeicher 72 treibt beim Beschleunigen den Motor 82 an. Während der dazwischenliegenden Phase ist das Wegeventil 86 geschlossen. Zusätzlich sichert das Druckbegrenzungsventil 84 den Speicher ab. Der Drucksensor 76 dient zur Steuerung des Bremsmoments bzw. der Betriebszustandsüberwachung.
Eine Ausführung eines integrierten Systems ist mit der Bezugsziffer 100 versehen in 4 dargestellt. Die Darstellung zeigt eine Pumpe 102, einen Niederdruckspeicher 104, einen Hochdruckspeicher 106, ein erstes Verteilungsventil 108 und ein zweites Verteilungsventil 110 sowie einen Hydraulikmotor 112.
Integrierte Systeme nutzen den vorhandenen hydrostatischen Kreislauf in der jeweiligen Anwendung. Dies gilt auch für Mehrmomentenantriebe und hydromechanische Leistungsverzweigungsgetriebe. Während des normalen Fahrbetriebs sind alle vier Logikventile geschlossen. Je nach Modus öffnen sich das erste und das zweite Verteilungsventil 108 und 110. Für die Beschleunigung entlädt sich der Hochdruckspeicher 106 über den Hydraulikmotor 112 in den Niederdruckspeicher 104. Beim Bremsen lädt die Pumpe 102 den Hochdruckspeicher 106 aus dem Niederdruckspeicher 104. Die Pumpe 102 und der Hydraulikmotor 112 sind in Figur als getrennte Einheiten dargestellt, wirken aber auf die gleiche Welle.
In 5 ist ein Aufbau eines Gasverbrennungsmotors bzw. ein mit brennbarem Gas betriebener Energiewandler, insgesamt mit der Bezugsziffer 120 bezeichnet, dargestellt. Die Darstellung zeigt einen Aktivkohlebehälter 122, ein Tankentlüftungsventil 124, einen Luftmengensensor 126, eine elektronische Steuereinheit (ECU) 128, eine CAN-Schnittstelle 130, eine Diagnoselampe 132, eine Diagnoseschnittstelle 134, einen Immobilisierer 136, ein Kraftstoffpumpenmodul 138, ein Fahrpedalmodul 140, eine Drosseleinrichtung 142, einen Drucksensor 144, ein Abgasrückführventil 146, einen Kraftstoffinjektor 148, einen Nockenwellenstelleranschluss 150, einen Zündspulenanschluss 152, einen Phasensensor 154, eine erste Lambdasonde 156, eine zweite Lambdasonde 158, einen Hauptkatalysator 160, einen Kurbelwellengeberradsensor 162, einen Klopfsensor 164, einen Kühlmitteltemperatursensor 166, einen CNG-Rail-Injektor 168, einen CNG-Druck-Regler 170, einen CNG-Tank mit elektrischen Tankabsperrventilen 172, einen CNG-Filter 174, einen CNG-Druck-Temperatur-Sensor 176 und einen Vorkatalysator 178.
In 6 ist eine Ausführung des beschriebenen Hybridantriebs 200 wiedergegeben. Die Darstellung zeigt einen ersten CNG-Tank bzw. -Druckspeicher 202, einen zweiten CNG-Tank 204, einen dritten CNG-Tank 206 und einen vierten CNG-Tank 208. Weiterhin ist ein hydraulischer Energiewandler (Pumpe/Motor) 210, der über eine Kupplung 212 mit einem mechanischen Triebstrang 214 gekoppelt ist, ein Öltank 216, der betankt werden kann (Pfeil 218), ein Druckregler 220, der über ein erstes Druckregelventil 222, ein zweites Druckregelventil 224 und ein drittes Druckregelventil 226 verfügt und mit fünf Absperrventilen 228 gekoppelt ist, ein weiteres Absperrventil 230, über das die Betankung (Pfeil 232) des ersten CNG-Tanks 202 erfolgt, noch zwei weitere Absperrventile 234 und ein weiteres Druckregelventil 236, über das der vierte CNG-Tank 208 mit CNG-Einblasventilen 238 verbunden ist. Diese Einblasventile 238 wirken mit einem mit brennbarem Gas betriebenen Energiewandler zusammen, wie dieser bspw. in 5 dargestellt ist.
Der zweite CNG-Tank 204 dient als Hochdruckspeicher für den hydraulischen Energiewandler 210 und der dritte CNG-Tank 206 als Niederdruckspeicher. Hierzu weist der zweite CNG-Tank 204 einen ersten Bereich 250 zur Aufnahme eines Fluids, in diesem Fall eines Öls, und einen zweiten Bereich 252 zur Aufnahme des brennbaren Gases auf. Entsprechend weist der dritte CNG-Tank 206 einen ersten Bereich 260 und einen zweiten Bereich 262 auf. Zur Trennung der beiden Bereiche 250 bzw. 260 und 252 bzw. 262 voneinander ist jeweils eine Membran 254 bzw. 264 vorgesehen.
Der erste Bereich 250 des zweiten CNG-Tanks 204 und der erste Bereich 260 des dritten CNG-Tanks 206 bilden ein erstes Energiespeichersystem, das dem hydraulisch betriebenen Energiewandler 210 zugeordnet ist. Der zweite Bereich 252 des zweiten CNG-Tanks 204 und der zweite Bereich 262 des dritten CNG-Tanks 204 bilden ein zweites Energiespeichersystem, das einem mit brennbarem Gas betriebenen Energiewandler, wie dieser bspw. in 5 dargestellt ist, zugeordnet ist. Die beiden Energiespeichersysteme bilden einen Energiespeicher für den Hybridantrieb 200.
In 6 ist eine beispielhafte erfindungsgemäße Kombination aus Hydraulik-Hybrid Pumpe/Motor, Hochdruck- und Niederdruckspeicher, deren Gasblasen die CNG-Speicher sind, dargestellt. Denkbar ist auch, dass ein Minimalsystem nur aus dem zweiten und dritten CNG-Tank 204 und 206 besteht, oder aber die CNG-Tanks 202 bis 208 zusammengefasst werden.
Wird der Fahrerwunsch Bremsen erkannt, so wird mittels der hydraulischen Pumpe 210 der Gasdruck im Hochdruckspeicher erhöht. Über die drei dargestellten Druckregelventile 222, 224, 226 kann der CNG-Druck im Niederdruckspeicher erhöht werden oder das Gaseinblassystem direkt aus dem Hockdruckspeicher gespeist werden. Der CNG-Druckregler 220 unmittelbar vor den Absperrventilen 228 stellt auch bei variierendem Speicherdruck den notwendigen Niederdruck an den Gaseinblasventilen ein. Auf diese Weise wird eine Rekuperation von Bremsenergie erreicht.
Bekanntlich kann wie beim Hydraulikhybrid über den hydraulischen Motor der Hochdruckspeicher expandiert und die Energie wie dargestellt in mechanische Energie gewandelt werden. Alternativ kann auch nur der Gasdruck im Niederdruckspeicher, vorzugsweise im vierten CNG-Tank 208, erhöht werden.
Beim Tanken können alle CNG-Tanks bzw. Druckspeicher 202 bis 208 mit dem Tankdruck gefüllt werden. Die Rekuperation sorgt dann dafür, dass der Druck im Hochdruckspeicher weiter steigt. Der Druckabbau in den Niederdruckspeichern nach dem Tanken erfolgt durch die Gaseinblasung in den Motor. Der Einblasdruck wird über den CNG-Druckregler eingestellt.
Geht der Gastankinhalt zur Neige, kann die Rekuperation auch nur noch zur Gasdruckerhöhung genutzt werden. Mittels des Ölreservoirs kann der zweite und der dritte CNG Tank 204 und 206 gefüllt werden.
Der vorgestellte Antrieb ermöglicht einige Alternativen:
Hydrauliköl-Kraftstoff: Alternativ kann anstelle des Hydrauliköls auch Kraftstoff verwendet werden. Somit ist die Kraftstoffversorgung durch den zweiten und dritten CNG-Tank 204 und 206 darstellbar. Das Ölreservoir ist dann der Kraftstofftank. Vorzugsweise eignet sich Dieselkraftstoff in Gas-Diesel-Fahrzeugen.
Alternativ kann auch eine Minimalversion zum Einsatz kommen. Dabei wird nur der Hoch- und Niederdruck-CNG-Blasenspeicher eingesetzt. In diesem Fall entfällt der Tank 202, der Tank 208 und die zugehörigen Ventile.
Die bei der Betankung aufgebrachte Kompressionsenergie (Beladung CNG-Speicher auf 200 bar) kann einmalig als mechanische Energie im Fahrzeug wiederverwendet werden, bspw. über den hydraulischen Energiewandler 210 im Motorbetrieb.
Durch gemeinsame Nutzung der Tanks sind Kosten- und Volumeneinsparungen zu erreichen.

Claims

Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug, bei dem ein hydraulisch betriebenen Energiewandler (210) und ein mit brennbarem Gas betriebener Energiewandler (120) zusammenwirken, wobei dem hydraulisch betriebenen Energiewandler (210) ein erstes Energiespeichersystem zugeordnet ist und dem mit dem brennbaren Gas betriebenen Energiewandler ein zweites Energiespeichersystem zugeordnet ist.
Hybridantrieb nach Anspruch 1, bei dem die beiden Energiespeichersysteme in einem Energiespeicher integriert sind.
Hybridantrieb nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Energiespeichersystem für den hydraulisch betriebenen Energiewandler (210) einen Hochdruckspeicher (24, 106) und einen Niederdruckspeicher (26, 104) umfasst.
Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der dafür ausgelegt ist, dass CNG als brennbares Gas zum Einsatz kommt.
Energiespeicher, insbesondere für einen Hybridantrieb (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit mindestens einem ersten Bereich (250, 260) zur Aufnahme eines Fluids für einen Hybridantrieb und mindestens einem zweiten Bereich (252, 262) zur Aufnahme eines brennbaren Gases für einen gasbetriebenen Antrieb.
Energiespeicher nach Anspruch 5, in dem der mindestens eine erste Bereich (250, 260) und der mindestens eine zweite Bereich (252, 262) mit wenigstens einer Membran (254, 264) voneinander getrennt sind.
Energiespeicher nach Anspruch 5 oder 6, der dafür ausgelegt ist, dass CNG als brennbares Gas zum Einsatz kommt.
Energiespeicher nach einem der Ansprüche 5 bis 7, der einen Hochdruckspeicher (24, 106) und einen Niederdruckspeicher (26, 104) umfasst
Verfahren zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs mit einem Hybridantrieb (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem eine Rekuperation von Bremsenergie durchgeführt wird.